[發(fā)明專利]一種由零虧格網(wǎng)格曲面生成散熱拓?fù)涞膱D形學(xué)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010632026.3
• 申請(qǐng)日: 2020-07-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111832203B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李寶童;張路寬;劉宏磊;唐文豪;洪軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F111/04;G06F119/08
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種由零虧格網(wǎng)格曲面生成散熱拓?fù)涞膱D形學(xué)方法，利用雙層網(wǎng)格進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；上層使用零虧格的可變形三角形網(wǎng)格描述拓?fù)鋷缀文Ｐ停瑑H通過(guò)一個(gè)組件即可生成散熱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅擺脫了初始布局依賴性，還獲得了清晰的幾何邊界，減少了設(shè)計(jì)變量，提升了計(jì)算速度；下層使用等幾何單元進(jìn)行熱流耦合穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算與靈敏度分析，實(shí)現(xiàn)了分析模型對(duì)幾何模型的準(zhǔn)確描述，避免了傳統(tǒng)有限元采用分段函數(shù)逼近幾何模型導(dǎo)致的誤差，提高了流體散熱問(wèn)題的求解精度，等幾何分析過(guò)程規(guī)避了經(jīng)典有限元中冗雜的網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)，節(jié)省了計(jì)算成本；本發(fā)明為散熱結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化提供了更可靠的思路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冷板的散熱性能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種由零虧格網(wǎng)格曲面生成散熱拓?fù)涞膱D形學(xué)方法。

技術(shù)背景

大功率和高熱流密度是現(xiàn)代電子學(xué)發(fā)展過(guò)程中持續(xù)存在的重大問(wèn)題，眾多電子設(shè)備，如電子芯片、電池和CPU等，都受到熱負(fù)荷的影響，而絕大多數(shù)熱量都是有害的，必須及時(shí)將熱量從工作區(qū)帶走，以確保電子設(shè)備和工具的正常工作和使用壽命；電子設(shè)備散熱問(wèn)題在過(guò)去幾十年中得到了良好的發(fā)展，主流的冷板設(shè)計(jì)方法包括流體微通道散熱器、異形通道設(shè)計(jì)和多層冷板換熱器等；然而傳統(tǒng)的冷板設(shè)計(jì)方法依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)，難以高效且有針對(duì)性的完成復(fù)雜設(shè)備的散熱目標(biāo)。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法立足于計(jì)算，在設(shè)計(jì)域內(nèi)合理分配材料，使之達(dá)到最優(yōu)分布，獲得最佳的散熱效果，并且已經(jīng)誕生出基于像素的變密度法(SIMP)、進(jìn)化算法(ESO)、RAMP，基于高維空間描述的水平集方法(LST)；在SIMP等變密度法中，設(shè)計(jì)域被離散成為大小相當(dāng)?shù)南袼攸c(diǎn)，利用黑白像素及其插值來(lái)表示結(jié)構(gòu)，可自由改變?cè)O(shè)計(jì)域內(nèi)的虧格數(shù)目，概念簡(jiǎn)單，使用門檻低，已在多個(gè)領(lǐng)域中廣泛使用，然而變密度法的像素點(diǎn)極難收斂，存在著嚴(yán)重的“灰度”及“棋盤格”現(xiàn)象，使得設(shè)計(jì)結(jié)果缺乏清晰的幾何邊界，無(wú)法準(zhǔn)確描述機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀；除此之外，變密度法的設(shè)計(jì)結(jié)果缺乏明確的設(shè)計(jì)參數(shù)，難以控制結(jié)構(gòu)特征尺寸，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工制造造成了極大的困難；水平集方法利用高維度空間描述，通過(guò)上層網(wǎng)格的移動(dòng)、變形實(shí)現(xiàn)底層結(jié)構(gòu)的變拓?fù)涔δ埽褂猛队胺椒ǎ梢郧逦鴾?zhǔn)確的描述結(jié)構(gòu)幾何邊界，然而水平集方法初始布局依賴性較強(qiáng)，變拓?fù)淠芰χ饕蕾嚿蠈泳W(wǎng)格的移動(dòng)和組件的數(shù)目，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)域內(nèi)虧格的自由變化；因此當(dāng)前的拓?fù)鋬?yōu)化方法在很多情況下不能滿足散熱拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種由零虧格網(wǎng)格曲面生成散熱拓?fù)涞膱D形學(xué)方法，上層使用可變形的三角形網(wǎng)格描述拓?fù)鋷缀文Ｐ筒⑼队爸料聦拥葞缀尉W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算和靈敏度分析，設(shè)計(jì)結(jié)果不僅可獲得清晰的幾何邊界，還擺脫了初始布局依賴性，同時(shí)減少計(jì)算量。

為達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種由零虧格網(wǎng)格曲面生成散熱拓?fù)涞膱D形學(xué)方法，包括以下步驟：

1)定義設(shè)計(jì)工況：

以二維方形平面結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)域，設(shè)計(jì)域尺寸參數(shù)為l×l，內(nèi)部均布熱載荷為Q，設(shè)計(jì)域邊界均為絕熱邊界，流體入口、出口分別位于設(shè)計(jì)域的上下邊界中央，寬度均為l/10；

2)構(gòu)建初始零虧格網(wǎng)格曲面：

取n個(gè)互不重合的點(diǎn)作為零虧格網(wǎng)格中幾何模型的頂點(diǎn)，構(gòu)建方形網(wǎng)格，各個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)值分別為(x_i,y_i)，i＝1,2,…,n，參數(shù)化幾何將方形網(wǎng)格進(jìn)一步劃分為三角形網(wǎng)格，形成網(wǎng)格曲面描述的初始組件布局，設(shè)置網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化和分裂的閾值，分別為L(zhǎng)_S和D_S，設(shè)置流道體積分?jǐn)?shù)上限β₀，最大迭代步數(shù)Loop，變量容差t_v；

3)初始化等幾何分析網(wǎng)格：

3.1)利用非均勻有理B樣條(NURBS)曲線構(gòu)建等幾何分析網(wǎng)格：